biologische Abwasserreinigung: Mikroben reinigen Abwasser
Die biologische Abwasserreinigung hat bereits eine rund hundertjährige Geschichte. Unverändert geblieben ist ihre Aufgabe, primär den Sauerstoffhaushalt der Gewässer vor einem übermäßigen Verbrauch zu schützen, der durch Einleitung organischer Stoffe hervorgerufen wird. Dies bedeutet vor allem die Elimination von eutrophierenden Stoffen (Stickstoff in Form von Ammonium, Nitrit und Nitrat, Phosphor in Form von Phosphat) aus den eingeleiteten Abwässern. Bei einer biologischen Abwasserreinigung leisten Mikroorganismen die Abbauarbeit. Sie nehmen die abzubauenden Stoffe als Nahrung auf, »verdauen« sie und scheiden weniger gefährliche oder ungefährliche Stoffe aus. Biologische Verfahren nehmen eine zentrale Stellung in der Abwasserreinigung ein; sie bilden die zweite Stufe einer typischen kommunalen Kläranlage.Problematisch sind aber biologisch nicht oder nur schwer abbaubare Stoffe wie Phosphate.
Was passiert bei der biologischen Reinigung?
Verfahren zur biologischen Abwasserbehandlung sind den natürlichen Reinigungssystemen der Flüsse entlehnt. Ihr großer Vorteil ist, dass man die Inhaltsstoffe vorher nicht genau analytisch bestimmen muss. Denn die Mikroorganismen werden in Mischbiozönosen eingesetzt, die eine Vielzahl unterschiedlicher Stoffe abbauen können; je nach Art des Substrats vermehren sich die jeweils benötigten Mikrobenarten.
Der mikrobielle Abbau ist im Grunde genommen ein Verbrennungsprozess, bei dem organische Substanzen durch Oxidation zu anorganischen Verbindungen umgebaut werden. Die hierfür erforderlichen Elektronenspender sind entweder Sauerstoff (aerober Vorgang) oder bei dessen Ausschluss (also im anaeroben Fall) beispielsweise Nitrat oder Sulfat. Beim aeroben Stoffwechsel wird etwa die Hälfte des im Substrat gebundenen Kohlenstoffs zu Kohlendioxid (CO2) oxidiert, die andere Hälfte bewirkt einen Zuwachs an mikrobieller Biomasse. Im anaeroben Prozess ist der Anteil des Kohlenstoffs, den die Organismen zum Zuwachs verwerten, mit etwa fünf bis zehn Prozent deutlich geringer. Aus den übrigen 90 bis 95 Prozent des im Substrat gebundenen Kohlenstoffs entstehen zu rund zwei Dritteln Methan und zu einem Drittel Kohlendioxid.
Die Bildung von Methan ist zusammen mit dem geringen Schlammanfall und dem damit verbundenen geringeren Deponiebedarf der Grund für das wieder zunehmende Interesse an anaeroben Verfahren: Methan ist einer der Hauptbestandteile von Erdgas und kann, wenn es vollständig aufgefangen wird, zur Energiegewinnung benutzt werden. Anaerobe Verfahren spielen heute vor allem in der Nahrungs- und Genussmittelindustrie und in der chemischen Industrie eine Rolle. Dort bilden sie die erste Stufe beim Abbau hoher Substratkonzentrationen. Auch beim biologischen Abbau von Stickstoff- und Phosphorverbindungen werden sie angewandt.
Der aerobe Abbau organischer Substanzen ist an die Anwesenheit von aeroben Bakterien gebunden. Diese bringen unter den Wasserlebewesen die günstigsten Voraussetzungen mit. So beträgt der Sauerstoffkonsum von Bacillus subtilis 2980 Prozent seines Körpergewichts pro Tag — das viel größere Pantoffeltierchen, ein Einzeller, schafft dagegen nur 30 Prozent. Bakterien sind also pro Gewichtseinheit erheblich aktiver als höhere Lebewesen. Mikroorganismen verfügen oft über besondere Stoffwechselleistungen und können außerdem auch Schadstoffe erkennen und umwandeln, die nur zeitweilig auftreten.
Für die abwassertechnische Nutzung ist wichtig, dass Mikroorganismen feste Oberflächen besiedeln können. Sie sitzen dann fest auf einem Trägermaterial — etwa auf Sandkörnern, porösem Naturstein, neuerdings auch auf Kunststoffträgern; man sagt, die Mikroben sind immobilisiert. Das bietet den Vorteil, dass man kontinuierlich Abwasser an den festsitzenden Mikroorganismen vorbeiströmen lassen kann, ohne dass sie ausgetragen werden.
Abwasserreinigung mit dem Tropfkörperverfahren
Das bekannteste Verfahren, das immobilisierte Mikroorganismen anwendet, ist das 1893/94 in England entwickelte Tropfkörperverfahren, das mit einem Rieselfeld vergleichbar ist: Beim Rieselfeld sickert das auf ein Feld verrieselte Abwasser in den Boden, Bodenbakterien besorgen den Abbau der Inhaltsstoffe. Beim Tropfkörperverfahren wird das Abwasser über Drehsprenger auf eine brockige Schüttung — den Tropfkörper — verteilt. Die Schüttung besteht aus vier bis acht Zentimeter großen porösen Brocken aus Schlacke, Bims, Kalkstein oder anderen Natursteinen, in letzter Zeit vermehrt aus Kunststoffteilen. Mikroorganismen besiedeln die Oberfläche der Schüttung, die sich in einem drei bis vier Meter hohen Reaktionsraum befindet. Das Abwasser durchrieselt den Tropfkörper von oben nach unten als dünner Flüssigkeitsfilm; die Mikroorganismen holen sich die Schadstoffe als Nährstoff aus dem vorbeirieselnden Abwasser. Bei höher konzentrierten Abwässern, wie sie in der Industrie auftreten, erreichen die Tropfkörper Höhen von bis zu zehn Metern. Deshalb werden diese Anlagen manchmal auch als Turmtropfkörper bezeichnet.
Ein Tropfkörperbioreaktor wird aerob betrieben; bei anaeroben Prozessen kann es zu starken Geruchsproblemen kommen. Die Sauerstoffzufuhr wird bei einer ausreichend lockeren Schüttung einfach durch die thermische Zirkulation gewährleistet, diese ist eine Folge des Temperaturunterschieds zwischen der Außenluft und der Luft im Innern des Tropfkörpers. Zur Vermeidung von Verstopfungen wird der Zulauf zum Tropfkörper oft mit bereits gereinigtem Abwasser aus dem Ablauf verdünnt (oder, wie es in der Fachsprache auch heißt, gespült). Man spricht in solchen Fällen auch von einem Spültropfkörper.
Belebtschlammverfahren
Sehr häufig werden in kommunalen Kläranlagen Verfahren eingesetzt, die keine fest eingebrachten Trägermaterialien zur Ausbildung einer biologisch aktiven Oberfläche benötigen. Bei ausreichender Abwasserbelüftung und gleichzeitiger ständiger Durchmischung entwickeln sich die Mikroorganismen direkt im Abwasser und bilden eine verteilte Biomasse in Flockenform, einen »belebten Schlamm«. Man spricht daher von Belebtschlammverfahren oder »Belebungsverfahren«. Auch dieses Verfahren ist schon recht alt, es wurde 1914 in England entwickelt.
Üblicherweise durchfließt das Abwasser dabei zunächst ein Absetzbecken zur Vorklärung, bevor es mehrere Stunden mit dem belebten Schlamm in Kontakt kommt. Die Biomasse ist im Belebtschlammbecken frei beweglich. Daher wird ein Teil der Biomasse mit dem abfließenden, behandelten Wasser aus der Anlage ausgetragen. Soll der gewünschte Reinigungseffekt erreicht werden, muss dieser Anteil daher — zumindest teilweise — wieder zurückgeführt werden. Dies geschieht in einem Nachklärbecken, aus dem die abgesetzte und eingedickte Biomasse für die Rückführung gewonnen wird.
Bei einem Belebtschlammverfahren muss Sauerstoff — entweder mit der Luft oder in reiner Form — durch Oberflächenbelüftung oder feinblasige Druckluftsysteme zugeführt werden.
Aus verfahrenstechnischer Sicht kann die Reinigungsleistung in Belebtschlammverfahren aber nicht nur durch guten Sauerstoffeintrag intensiviert werden: Die Reinigungsleistung wird auch umso besser, je stärker die Durchmischung und je größer die Gesamtoberfläche aller Belebtschlammflocken sind, je kleiner also die einzelnen Flocken sind. Hierzu hat die chemische Industrie beispielsweise die »Turmbiologie« oder den Biohochreaktor entwickelt. Diese Reaktoren zeigen eine hohe Abbauleistung auf kleinem Raum; sie bilden — nach den Rieselfeldern und der Beckentechnologie — eine neue, dritte Generation von aeroben biologischen Abwasserreinigungssystemen.
Elimination von Stickstoff und Phosphat
Kommunale Abwässer sind sehr stark mit stickstoff- und phosphorhaltigen Verbindungen belastet. Deswegen kommt der Elimination dieser Verbindungen besondere Bedeutung zu. Kommunale Kläranlagen mit einer konventionellen biologischen Reinigungsstufe können stickstoffhaltige Substanzen und Phosphat (in dieser Form liegt Phosphor typischerweise im Abwasser vor) nur teilweise eliminieren. Immer häufiger werden Kläranlagen daher um Reinigungsstufen ergänzt, die speziell diese beiden Stoffgruppen beseitigen. Während derzeit Phosphat meist chemisch gefällt wird, wird Stickstoff auf biologischem Weg eliminiert. Dazu wird die biologische Reinigungsstufe um einen weiteren Schritt ergänzt.
Um Phosphat aus dem Abwasser praktisch vollständig zu entfernen, muss meist mit einem chemischen Verfahren nachgereinigt werden. Anders als bei den biologischen Verfahren muss man bei allen chemisch-physikalischen Methoden eine Substanz zugeben, die den zu beseitigenden Stoff bindet und dabei in eine Form überführt, die in Wasser nicht löslich ist. Beim Phosphat setzt man dem biologisch vorgereinigten Abwasser Eisen- oder seltener Aluminiumsalze oder auch Kalkwasser (Calciumhydroxid) zu. Sie bilden mit Phosphat feste, wasserunlösliche Verbindungen, die sich als Niederschlag aus dem Wasser abscheiden und leicht entfernt werden können. Man nennt diesen Vorgang auch Phosphatfällung. Allerdings muss der Niederschlag auch entsorgt werden. Kalkwasser ist dazu besonders geeignet, da es Kohlendioxid bildet, mit dem der Säuregehalt des Abwassers kontrolliert werden kann.
Im Unterschied zu Phosphat lässt sich Stickstoff auf biologischem Weg eliminieren. Dazu ist es nötig, die biologische Reinigungsstufe um einen weiteren Schritt zu ergänzen.
Stickstoff liegt im häuslichen Abwasser zu etwa zwei Dritteln in Form von Ammonium (NH4+) vor, zu einem Drittel in Form organischer Stickstoffverbindungen wie Harnstoff, Proteinen und Aminosäuren. Schon im Kanalsystem und im Vorklärbecken werden diese organischen Stickstoffverbindungen von den dort angesiedelten Bakterien zu Ammoniumverbindungen abgebaut. Die biologische Reinigungsstufe einer kommunalen Kläranlage wird also im Wesentlichen mit Ammoniumverbindungen konfrontiert. Im Belebtschlammbecken herrschen aerobe Bedingungen, und das Ammonium wird zu Nitrit (NO2-) und weiter zu Nitrat (NO3-) oxidiert oder nitrifiziert. Andere Bakterien wiederum sind in der Lage, Nitrat zu elementarem Stickstoff (N2) abzubauen. Dieser als Denitrifikation bezeichnete Prozess läuft unter anaeroben Bedingungen ab.
Um die Stickstofffracht des Abwassers möglichst stark zu verringern, ist deshalb ein zweistufiger Prozess nötig: Im ersten Schritt wird möglichst das gesamte Ammonium unter hohem Sauerstoffverbrauch zu Nitrat oxidiert. Daran schließt sich als zweiter Schritt unter Sauerstoffausschluss die Denitrifikation des Nitrats zu molekularem Stickstoff an. Das entstehende Stickstoffgas wird in die Atmosphäre abgeführt, die ja zu 80 Prozent aus molekularem Stickstoff besteht. Die Denitrifikation wird meist in die biologische Reinigungsstufe einer kommunalen Kläranlage dadurch integriert, dass dem Belebtschlammbecken ein weiteres Becken nachgeschaltet wird, in dem anaerobe Bedingungen herrschen.
Dr. Klaus-Peter Meinicke
Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:
Abwasserreinigung: Was wird aus dem Klärschlamm?
Grundlegende Informationen finden Sie unter:
Abwasserreinigung in kommunalen Kläranlagen
Literatur:
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